信號分子

信號分子

信號分子是指生物體內的某些化學分子,它們既不是營養物,又非能源物質和結構物質,也不是酶,而是用來在細胞間和細胞內傳遞信息的物質,它們唯一的功能是與細胞受體,如激素、局部介質、神經遞質等結合併傳遞信息。信號分子根據溶解性通常可分為親脂性和親水性的兩類。

類型


人體中有幾百種不同的信號分子,按照其分泌腺體或細胞種類,運載體以及作用的靶細胞位置。
種類分泌細胞運載體作用的靶細胞位置
旁分泌激素(局部介質)
(如組織胺、生長因子等)
旁分泌細胞細胞間液在眾多相鄰細胞間、非常有限範圍內發生作用
內分泌激素
(如甲狀腺激素、胰島素等)
內分泌腺細胞血液遠距離的靶細胞
神經激素
(如抗利尿激素、催產素等)
下丘腦的神經分泌細胞血液遠距離的靶細胞
神經遞質
(如乙醯膽鹼、C-氨基丁酸等)
神經細胞突觸間隙胞間液直接作用在相鄰的神經元或其他特殊的相鄰細胞(如肌細胞)
“第一信使”和“第二信使”一般將細胞外信號分子稱為“第一信使”,激素、神經遞質等是由細胞合成和釋放的,通過擴散或體液運送,是人體信息傳遞的“第一信使”。“第一信使”與受體作用后在細胞內最早產生的信號物質稱為“第二信使”。目前公認的“第二信使”有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、等,功能是啟動和協助細胞內信號的逐級放大。
親水性和親脂性信號分子
根據信號分子的溶解性可分為親水性和親脂性兩類。親水性信號分子的主要代表是神經遞質、含氮類激素(除甲狀腺激素)、局部介質等,它們不能穿過靶細胞膜,只能通過與細胞表面受體結合,再經信號轉換機制,在細胞內產生“第二信使”(如cAMP)或激活膜受體的激酶活性(如蛋白激酶),跨膜傳遞信息,以啟動一系列反應而產生特定的生物學效應。
親脂性信號分子要穿過細胞質膜作用於細胞質或細胞核中的受體,與胞內受體結合形成激素-受體複合物,成為轉錄促進因子,作用於特異的基因調控序列,啟動基因的轉錄和表達,主要代表是類固醇激素、甲狀腺激素等。

特點


信號分子具有特異性、高效性和可被滅活的特點。
1.特異性:只能與特定的受體結合;
2.高效性:幾個分子即可發生明顯的生物學效應,如各種激素在血液中的濃度極低,一般在每100mL血液中只有幾ug甚至幾ng,但對人體的生理調節作用卻非常重大;
3.可被滅活:當完成一次信號應答后,信號分子會通過修飾、水解或結合等方式失去活性而被及時消除,以保證信息傳遞的完整性和細胞免於疲勞。

作用


多細胞生物中有幾百種不同的信號分子在細胞間傳遞信息,這些信號分子中有蛋白質、多肽氨基酸衍生物、核苷酸、膽固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的氣體分子等。
根據信號分子的溶解性分為水溶性信息和脂溶性信息,前者作用於細胞表面受體,後者要穿過細胞質膜作用於胞質溶膠或細胞核中的受體。
其實,信號分子本身並不直接作為信息,它的基本功能只是提供一個正確的構型及與受體結合的能力,就像鑰匙與鎖一樣,信號分子相當於鑰匙,因為只要有正確的形狀和缺齒就可以插進鎖中並將鎖打開。至於鎖開啟后幹什麼,由開鎖者決定了。

作用環境


細胞外

信號分子及信號傳
信號分子及信號傳
在一定條件下,細胞外的化學信號能引發細胞的定向移動。這些信號有些時候是底質表面上一些難溶物質,有些時候則是可溶物質。信號分子有很多,可以是肽,代謝產物,細胞壁或是細胞膜的殘片,信息分子的作用是與靶細胞的受體結合,改變受體的性質和作用,完成一系列的反應,去激活或抑制肌動蛋白結合蛋白的活性,最終改變細胞骨架的狀態。親水性信息分子不能穿過細胞膜,其受體在靶細胞的膜上,親脂性信息分子易穿過細胞膜,其受體存在於靶細胞的胞漿及細胞核中。可溶物質通常不是均勻溶解在溶劑中,而是靠近源的區域濃度高,遠離源的區域濃度低,形成所謂的“濃度梯度”。細胞膜上的受體可感受到那些被稱為化學趨向吸引物(chemotacticattractant),並且逆著它們的濃度梯度去追根尋源。某些信號分子甚至會影響細胞移行的速度,這些信號分子則被稱為化學趨向劑(chemokineticagent)。細胞這種因化學分子改變自己移動的行為,被稱為化學趨向性。例如盤基網柄菌(Dictyosteliumdiscoideum)會逆著cAMP濃度梯度的運動。白血球也會受到一些細菌分泌的三肽化學物質f-Met-Leu-Phe(N-甲醯蛋-亮-苯丙氨酸)吸引而往細菌移動,發揮其免疫功能。而在胚胎髮生中的神經嵴細胞則並非靠濃度梯度,而是路標物質識別其去向(請見下文“路標信號”一節)。
但是細胞外基質中也存在著一些蛋白,如硫酸軟骨蛋白多糖(chondroitinsulfateproteoglycan)會與神經細胞的粘著蛋白起作用,對細胞遷移形成阻滯。它會抑制脊髓損傷患者神經損傷區域新突觸的相連與再生。

細胞內

信號分子
信號分子
細胞外信號種類繁多,但是當它們與細胞膜上受體結合之後,作用的途徑卻只有有限的幾種。而與細胞遷移有關的信號傳導過程如下:信號分子結合到膜上受體,或者是激活與受體偶聯的蛋白質—大G蛋白,或者先是激活受體酪氨酸激酶,再激活下游的小G蛋白Ras。G蛋白是一個很大的家族,包括Rho,Rac,Ras等小家族,它們在細胞中扮演著信號傳導開關的角色。當它們與GDP結合時,呈現失活狀態。在鳥嘌呤交換因子(英文:Guanin exchangefactor,簡稱GEF)的幫助下,G蛋白脫離GDP並與GTP結合,進入激活狀態。G蛋白的GTP會被GTP酶激活蛋白(英文GTPase-activatingproteins,簡稱GAP)水解,並釋放出其中的能量,讓G蛋白行使其功能。就是說,G蛋白通過這一GTP“GDP循環在激活“失活狀態中迴旋,傳遞信號。當G蛋白被激活后,它下游的多種分子會被激活。
而致癌物質也可以通過這些信號傳導通路發揮其負面作用,如強烈致癌物質佛波酯(Phorbolester)。佛波酯會不可逆地激活細胞的RasGRP3“4,以激活Ras,Ras會再激活蛋白激酶C(ProteinkinaseC,PKC)。後者是調節細胞分裂和分化的酶。它被佛波酯不正常的激活,有可能對癌症的產生起促進作用。研究還發現,佛波酯對黑素瘤(melanoma)細胞轉移到肺部有促進作用。而細菌者,如志賀氏菌會在宿主胞膜上打洞,向細胞質注入效應蛋白質,激活宿主Rac和Cdc42,調整細胞的微絲網路,以使自己順利進入宿主內。

傳導方式


激素(hormone)
三種不同類型的信號分子及其信號傳導方式激素是由內分泌細胞(如腎上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲狀腺、甲狀旁腺和垂體)合成的化學信號分子,一種內分泌細胞基本上只分泌一種激素,參與細胞通訊的激素有三種類型:蛋白與肽類激素、類固醇激素、氨基酸衍生物激素。
通過激素傳遞信息是最廣泛的一種信號傳導方式,這種通訊方式的距離最遠,覆蓋整個生物體。在動物中,產生激素的細胞是內分泌細胞,所以將這種通訊稱為內分泌信號(endocrinesignaling)。
局部介質
局部介質(localmediators)是由各種不同類型的細胞合成並分泌到細胞外液中的信號分子,它只能作用於周圍的細胞。通常將這種信號傳導稱為旁分泌信號(paracrinesignaling),以便與自分泌信號相區別。有時這種信號分子也作用於分泌細胞本身,如前列腺素(prostaglandin,PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的),它不僅能夠控制鄰近細胞的活性,也能作用於合成前列腺素細胞自身,通常將由自身合成的信號分子作用於自身的現象稱為自分泌信號(autocrinesignaling)。
神經遞質
神經遞質(neurotransmitters)是由神經末梢釋放出來的小分子物質,是神經元與靶細胞之間的化學信使。由於神經遞質是神經細胞分泌的,所以這種信號又稱為神經信號(neuronalsignaling)。
依賴於細胞接觸的信號傳導
通過細胞的接觸,包括通過細胞粘著分子介導的細胞間粘著、細胞與細胞外基質的粘著、連接子(植物細胞為胞間連絲)介導的信號傳導。
通過細胞接觸進行的通訊中,信號分子位於細胞質膜上,兩個細胞通過信號分子的接觸傳遞信息。